IP、UDP和TCP的关系

互联网,实际上是一套理念和协议组成的体系架构。其中,协议是一套众所周知的规则和标准,如果各方都同意使用,那么它们之间的通信将变得毫无障碍。

IP:把数据包送达目的主机

数据包要在互联网上进行传输,就要符合 网际协议(IP)标准 ,互联网上不同的在线设备都有唯一的地址,地址只是一个数字,这和大部分家庭收件地址类似,你只需要知道一个家庭的具体地址,就可以往这个地址发送包裹,这样物流系统就能把物品送到目的地。

计算机的地址就称为 IP 地址,访问任何网站实际上只是你的计算机向另外一台计算机请求信息。

如果要想把一个数据包从主机 A 发送给主机 B,那么在传输之前,数据包上会被附加上主机 B 的 IP 地址信息,这样在传输过程中才能正确寻址。额外地,数据包上还会附加上主机 A 本身的 IP 地址,有了这些信息主机 B 才可以回复信息给主机 A。这些附加的信息会被装进一个叫 IP 头的数据结构里。IP 头是 IP 数据包开头的信息,包含 IP 版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、生存时间等信息。

简化的 UDP 网络三层传输模型

简化的 UDP 网络三层传输模型

UDP:把数据包送达应用程序

IP 是非常底层的协议,只负责把数据包传送到对方电脑,但是对方电脑并不知道把数据包交给哪个程序,是交给浏览器还是交给王者荣耀?因此,需要基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议,最常见的是“ 用户数据包协议(User Datagram Protocol) ”,简称 UDP

UDP 中一个最重要的信息是 端口号 ,端口号其实就是一个数字,每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了,所以 IP 通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑,而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序 。和 IP 头一样,端口号会被装进 UDP 头里面,UDP 头再和原始数据包合并组成新的 UDP 数据包。UDP 头中除了目的端口,还有源端口号等信息。

简化的 UDP 网络四层传输模型

简化的 UDP 网络四层传输模型

UDP 不能保证数据可靠性,但是传输速度却非常快,所以 UDP 会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域,如在线视频、互动游戏等。

TCP:把数据完整地送达应用程序

对于浏览器请求,或者邮件这类要求数据传输可靠性(reliability)的应用,如果使用 UDP 来传输会存在 两个问题

  • 数据包在传输过程中容易丢失;
  • 大文件会被拆分成很多小的数据包来传输,这些小的数据包会经过不同的路由,并在不同的时间到达接收端,而 UDP 协议并不知道如何组装这些数据包,从而把这些数据包还原成完整的文件。

基于这两个问题,我们引入 TCP 了。 TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议 。相对于 UDP,TCP 有下面两个特点:

  • 对于数据包丢失的情况,TCP 提供重传机制;
  • TCP 引入了数据包排序机制,用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。

和 UDP 头一样,TCP 头除了包含了目标端口和本机端口号外,还提供了用于排序的序列号,以便接收端通过序号来重排数据包。

简化的 TCP 网络四层传输模型

简化的 TCP 网络四层传输模型

下面我们再看下完整的 TCP 连接过程,通过这个过程你可以明白 TCP 是如何保证重传机制和数据包的排序功能的。

一个TCP连接的生命周期

一个TCP连接的生命周期

从下图可以看出,一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了 建立连接、传输数据、关闭连接 三个阶段。

首先,建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。 面向连接 是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓 三次握手 ,是指在建立一个 TCP 连接时,客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。

其次,传输数据阶段。在该阶段, 接收端需要对每个数据包进行确认操作 ,也就是接收端在接收到数据包之后,需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后,在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息,则判断为数据包丢失,并触发发送端的重发机制。同样,一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包,这些数据包到达接收端后,接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序,从而保证组成完整的数据。

最后,断开连接阶段。数据传输完毕之后,就要终止连接了,涉及到最后一个阶段“四次挥手”来保证双方都能断开连接。

TCP 为了保证数据传输的可靠性,牺牲了数据包的传输速度,因为“三次握手”和“数据包校验机制”等把传输过程中的数据包的数量提高了一倍。

参考资料:极客时间《浏览器工作原理与实践》,02 | TCP协议:如何保证页面文件能被完整送达浏览器?

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